Побочная подгруппа третьей группы. Лантаноиды. Актиноиды
Элементы побочной подгруппы третьей группы и семейство, состоящее из четырнадцати f-элементов с порядковыми номерами от 58 до 71, весьма близки друг к другу по своим химическим и физико-химическим свойствам. Эти элементы следуют в периодической системе после лантана и потому называются лантаноидами (или лантанидами). Иногда их вместе с элементами побочной подгруппы третьей группы называют редкоземельными металлами.
Редкоземельные металлы обычно находятся в природе совместно. Они образуют минералы, представляющие собой твердые растворы родственных соединений различных металлов. Например, один из главных источников редкоземельных металлов — минерал монацит — состоит в основном из фосфатов церия, лантана, иттрия и других редкоземельных металлов. Таким образом, природным сырьем, из которого получают как элементы побочной подгруппы третьей группы, так и лантаноиды, служат одни и те же минералы.
Актиноиды (или актиниды) — это семейство четырнадцати f-элементов с порядковыми номерами от 90 до 103, следующее в периодической системе после актиния.
В побочную подгруппу третьей группы входят элементы скандий, иттрий, лантан и актиний. Их атомы содержат по два электрона в наружном электронном слое и по 9 электронов в следующем за ним слое; строение этих двух электронных слоев можно выразить формулой (n − 1)s2(n − 1)p6(n − 1)d1ns2. Каждый из этих элементов открывает собой соответствующую декаду d-элементов. Некоторые их свойства приведены в табл. 36. Степень окисленности элементов подгруппы скандия в большинстве их соединений равна +3.
Таблица 36. Некоторые свойства элементов побочной подгруппы третьей группы
| Sc | Y | La | Ac | |
|---|---|---|---|---|
| Строение внешнего и предвнешнего электронных слоев атома | 3s23p63d14s2 | 4s24p64d15s2 | 5s25p65d16s2 | 6s26p66d17s2 |
| Радиус атома, нм | 0,164 | 0,181 | 0,187 | 0,203 |
| Энергия ионизации Э → Э+, эВ Э+ → Э2+, эВ Э2+ → Э3+, эВ | 6,56 12,8 24,75 | 6,22 12,24 20,5 | 5,58 11,06 19,17 | 5,1 12,1 … |
| Радиус иона Э3+, нм | 0,083 | 0,097 | 0,104 | 0,111 |
| Плотность, г/см3 | 3,02 | 4,48 | 6,16 | 10,1 |
| Температура плавления, °C | 1541 | 1528 | 920 | 1040 ± 50 |
| Температура кипения, °C | Примерно 2850 | Примерно 3300 | Примерно 3450 | Примерно 3300 |
Скандий, иттрий и лантан содержатся в земной коре в количествах порядка 10−3 % (масс.). Актиний содержится в значительно меньшем количестве [порядка 10−9 % (масс.)], так как оба его природные или природных (по мнению редакции сайта) изотопа — 227Ac и 228Ac — радиоактивны.
В свободном состоянии элементы подгруппы скандия представляют собой серебристо-белые металлы с высокими температурами плавления. Металлические свойства выражены у них резче, чем у элементов главной подгруппы. Они растворяются в разбавленных соляной, азотной и серной кислотах, а при нагревании реагируют с большинством неметаллов.
Оксиды элементов этой подгруппы представляют собой тугоплавкие белые вещества. Гидроксиды проявляют основные свойства, усиливающиеся в ряду Sc — Y — La. Так, соли скандия гидролизуются в значительной степени, а соли лантана практически не подвергаются гидролизу: La(OH)3 — сильное основание.
Области применения скандия ограничены. Но в настоящее время намечаются пути использования соединений скандия в электронике. В частности, некоторые ферриты (см. стр. 671), содержащие небольшие количества оксида скандия, применяются в быстродействующих счетно-решающих устройствах. Металлический скандий используется в электровакуумной технике как хороший геттер (нераспыляющийся поглотитель газов).
Оксид иттрия также применяется в производстве ферритов. Ферриты, содержащие иттрий, используются в слуховых приборах, в ячейках памяти счетно-решающих устройств. Изотоп иттрия 90Y применяется в медицине.
Лантан применяется главным образом в смеси с лантаноидами (см. § 221).